（机械制造及其自动化专业论文）高速高精度pcb数控钻床进给伺服系统的控制研究.pdf

中文摘要 摘要：随着交流调速技术的不断发展与完善，数控机床交流伺服驱动已逐渐取代 了直流伺服驱动，成为了高速高精度数控机床伺服系统的发展方向。 本文首先对永磁同步电机的结构及运行原理进进行了阐述，并结合矢量控制 理论建立了永磁同步电机的线性解耦数学模型，进而针对p c b 数控钻床交流伺服 系统建立了电流环、速度环、位置环三环控制系统，并依据控制理论对各个环节 的p i d 参数进行了分析、设计，同时借助m a t l a b s i m u l i n k 软件验证了整个系统设 计的正确性和合理性。 由于p c b 钻床高速高精度的特性要求，因此结合动力学理论建立了机械系统 的等效数学模型及p c b 钻床全闭环高阶系统控制模型。并在m a t l a b s i m u l i n k 下对 系统位置控制进行了参数整定，并对系统的变参数及扰动特性进行了仿真分析。 同时考虑到机械系统的引入可能引起的共振问题设计了机械共振点陷波滤波器。 在实际系统运行时它可以有效的拓展系统的频带，加快系统的响应特性，这对高 速高精度伺服系统具有很重要的意义。 由于复合控制理论成为了当前数控交流伺服系统研究的热点，因此在上述研 究的基础上针对p c b 钻床具有的非线性、时变性、随机性等因素本文设计了模糊 自适应p i 位置伺服控制器。仿真结果表明模糊自适应p i 控制器对机械系统的变参 数特性及外部扰动具有较好的抑制作用。 在此基础上本文阐述了数字伺服进给系统实现中的关键技术及相关算法并提 出了基于d s p 的全数字化永磁同步电机伺服系统实现方案。该方案实施后可以进 一步验证相关的控制策略及理论。 关键词：p c b 钻床；永磁同步电：p i d ；陷波滤波器；模糊自适应；d s p 分类号：t h l l 7 a b s t r a c t a b s t r a c t ：w i t l lt h ec o n t i n u o u sd e v e l o p m e n ta n di m p r o v e m e n to fa cs p e e d r e g u l a t i o nt e c h n o l o g y ，a c s e r v o d r i v e nh a sb e e ng r a d u a l l yr e p l a c e dt h ed c s e r v o - d r i v e ni nc n cm a c h i n et o o l s ，b e c o m i n gs e r v os y s t e md e v e l o p m e n ti nh i g h s p e e d h i g h p r e c i s i o nc n cm a c h i n et 0 0 1 i nt h i sp a p e r , t h es t r u c t u r ea n do p e r a t i o no ft h ep r i n c i p l eo fp e r m a n e n tm a g n e t s y n c h r o n o u sm o t o ra r ed e s c r i b e df i r s t ，a n dt h e nw i t ht h et h e o r yo fv e c t o rc o n t r o l ，l i n e a r a n dd e c o u p l i n gm o d e lo fp e r m a n e n tm a g n e ts y n c h r o n o u sm o t o rm a t h e m a t i c a li s e s t a b l i s h e d a l s ot h ec u r r e n tl o o p ，s p e e dl o o p ，p o s i t i o nl o o pf o rc o n t r o lm o d e lo fp c b c n cd r i l l i n gm a c h i n ea r ee s t a b l i s h e d b a s e do nc o n t r o lt h e o r y , a n a l y z e da n dd e s i g n e d t h ep i dp a r a m e t e r so ft h et h r e el o o pu s i n gs o f t w a r eo fm a t l a bls i m u l i n k , a tt h es a m e t i m et ov e r i f yt h ec o r r e c t n e s sa n de f f e c t i v e n e s so ft h ew h o l es y s t e md e s i g n d u et ot h ec h a r a c t e r i s t i c so fh i g h s p e e da n dh i g h a c c u r a c yr e q u i r e m e n t so fp c b d r i l l i n gm a c h i n e ，c o m b i n e dw i mk i n e t i ct h e o r y , e q u i v a l e n tm a t h e m a t i c a lm o d e lo ft h e m e c h a n i c a ls y s t e ma n dh i g h - o r d e rs y s t e ma r ee s t a b l i s h e d u n d e rm a t l a b | s i m u l i n kt h e p a r a m e t e r so ft h es y s t e mo fp o s i t i o nc o n t r o la l es e t , a n dt h ev a r i a b l ep a r a m e t e r sa n d d i s t u r b a n c ec h a r a c t e r i s t i c so ft h es y s t e ma r ea n a l y z e da n ds i m u l i n k e d t a k i n gi n t oa c c o u n tt h er e s o n a n c eo fm e c h a n i c a lp a r to ft h ef e e d i n g ，i n t r o d u c e d a n dd e s i g n e dt h en o t c hf i l t e ro ft h em e c h a n i c a lr e s o n a n c ep o i n t t h ea c t u a ls y s t e mi n t h er u n t i m es y s t e mc a ne f f e c t i v e l ye x p a n dt h eb a n da n ds p e e du ps y s t e mr e s p o n s e c h a r a c t e r i s t i c s ，w h i c hi nh i g h - s p e e dh i g h - p r e c i s i o ns 1 暑r v os y s t e m sa r ev e r yi m p o r t a n t a sar e s u l to fc o m p l e xc o n t r o lt h e o r yh a sb e c o m et h es t u d yo fa cs e r v oc n c h o t ， b a s e do nt h ef o r es t u d yw i t l lt h en o n - l i n e a r , t i m e v a r y i n g , r a n d o mf a c t o r so ft h ep c b d r i l l i n gm a c h i n e ；p o s i t i o nl o o po fa d a p t i v ef u z z yp o s i t i o ns e r v ec o n t r o l l e ri sd e s i g n e d 1 1 1 es i m u l a t i o nr e s u l t sh a v es h o w e dt h a tt h ec o n t r o l l e rc a ni m p r o v et h ei m p a c to ft h e v a r i a b l ep a r a m e t e r sa n de x t e r n a ld i s t u r b a n c e b a s i so nt h ef o r es t u d y , t h ek e yt e c h n o l o g i e sa n dr e l a t e da l g o r i t h m sa l ee x p l a i n e d u n d e rd s p b a s e df u l l yd i g i t a lp m s ms e r v es y s t e mp r o g r a m ，w h i c hc a nf u r t h e rv e n f y t h ei m p l e m e n t a t i o no fc o n t r o ls t r a t e g i e sa n dr e l a t e dt h e o r yn e x t k e y w o r d s ：c n cm a c h i n et o o l ；p e r m a n e n tm a g n e ts y n c h r o n o u sm o t o r ；n o t c hf i l t e r ； p i d ；f u z z ya d a p t i v ec o n t r o l ；d s p c i a s s n o ：t h l l7 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研 究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或 撰写过的研究成果，也不包含为获得北京交通大学或其他教育机构的学位或证书 而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作 了明确的说明并表示了谢意。 学位做作者签名降碍唧 签字日期： 年7 月夕日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定。特 授权北京交通大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 提供阅览服务，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。 同意学校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者躲份匀嚼 签字醐：7 年7 月夕日 导师签 签字日期日 致谢 本文是在导师李建勇教授及王恒博士的悉心指导下完成的，衷心感谢两位老 师在学习、科研和生活上给与我的关心和关怀，正是他们的无私付出，才使我能 圆满完成学业! 在此向两位老师表示深深的谢意! 导师严谨的治学态度，渊博的知识、丰富的研究经验和诲人不倦的精神使我 在求学期间受益匪浅，终生难忘。老师的教导我将铭记在心，在今后的人生道路 上不断践行，奋发向上，努力拼搏，争取为社会多做贡献! 王恒老师在我的课题研究过程中给与我极大的关心与帮助，并提出了很多宝 贵的建议与见解。王老师这种务实的学术作风，勤勤恳恳的工作态度给与了我莫 大的感动与感触，这必将成为我人生道路上一笔宝贵的财富! 衷心的感谢鄂明成老师、程卫东老师、温伟刚老师在论文的写作过程中给与 我的指导与帮助；感谢马丽梅师姐、魏强师兄、宫明兴同学及实验室的师弟师妹 们给于我的热情帮助! 感谢我的家人及朋友多年来对我一如既往的支持与鼓励! 他们默默的付出使 我顺利的走完了现阶段的求学之路，我唯有以更出色的成绩来回报他们! 最后再次感谢所有在我求学期间及论文研究过程中给与我帮助的人们! 谢谢! 徐金墀 2 0 0 9 年6 月1 日2 3 ：4 9 ：3 3 i 绪论 随着现代科学技术的飞速发展，特别是微电子技术、计算机技术、电力电子 技术、电机制造技术取得的巨大进步，使得位置伺服这一自动控制技术在数控机 床中得到了普遍应用，其系统性能对高速高精度数控系统的发展起着越来越关键 的作用。同时，随着功率电子技术、微电子技术、计算机技术及控制理论的不断 发展，以交流伺服电机为执行元件的的交流伺服驱动具有了可与直流伺服驱动相 比拟的特性，从而使得交流伺服电机固有的优势得到了充分的发挥，以交流伺服 驱动为主的数控机床伺服进给系统已成为高性能数控机床伺服系统的发展方向 1 2 ，3 1 1本课题研究的背景及意义 印制电路板( p c b ) 制造技术是电子信息制造业的重要基础和组成部分。我国 p c b 业发展迅速，目前已成为p c b 第一生产大国。但产品主要集中在单面、双面、 多层这些低端p c b 产品上，而代表高端p c b 的细微孔( h d i ) 所占比例甚小。主要 原因之一是我国p c b 数控钻床伺服系统达不到细微孔加工时所要求的性能指标 【4 5 3 印制电路板数控钻床是印制电路板精密孔位加工的关键工艺装备。随着p c b 板不断向“窄间距化、细导线化、高密度化 方向发展，给印制电路板数控钻床 提出了更高的要求。高精度、高速度、短行程已成为新一代p c b 数控钻床发展和 提高面临的主要难题巾1 。目前p c b 加工方式主要有两种，即激光钻孔和机械钻 孔。但由于激光钻孔在p c b 的材料、加工厚度和成本等方面的缺陷使得机械钻孔 仍然是p c b 加工制造的主要方式。在p c b 的机械加工中，为了适应p c b 的发展 趋势对p c b 钻床的伺服进给系统提出了很高的要求，高速高精度已成为其主要的 特点7 1 。 永磁同步电机( p m s m ) 由于其转子采用永久磁钢，属于无刷电机的一种。具 有体积小、重量轻、结构简单、运行可靠等优点。采用矢量控制、直接转矩控制 等技术可以使永磁同步电机的调速性能、动态及静态特性接近直流电机的性能指 标，目前成为了高档数控机床伺服进给系统的优选方案。 提高伺服系统的动态响应特性和稳态精度的途径有两条：一是采用高性能的 伺服电机及机械传动机构提高系统的硬件性能；二是采用新的控制方法，提高软 件系统的性能。目前后者从实现方式和成本上来讲，更具有现实意义哺月1 。 | l 豆至丑厶堂亟堂焦设毫 当前在p c b 钻床的实际应用中，是通过数控系统发出的位置指令与位置检测 装置的反馈信号比较后的偏差信号经过伺服驱动器的调节后控制伺服电机的动作 来实现准确定位的。传统的调节运算以p i d 为主，但随着对伺服系统的高性能的 不断要求，这种控制算法开渐显得力不从心。因此采用新型的控制策略成为了高 性能数控机床伺服系统的研究方向之一。而以d s p 为代表的高性能处理器为新型 复杂的控制策略的实现提供了可能，从而推动了数控机床伺服进给系统的不断发 展。 本文的研究以某企业的p c b 钻床为应用对象如图1 1 、1 2 所示。其中涉及 永磁同步电机的特性及模型、基于p i d 控制器的三环设计及整定阻及模糊控制算 法的运用及基于p m s m 和d s p 技术的相关研究等。对高速高精度p c b 数控钻床 的应用具有很强的参考价值和指导意义，对我国成为名副其实的p c b 生产大国及 振兴名族工业具有现实意义。 本文的研究工作得到了广东省教育部产学研结合项目及某数控设备有限公司 的资助。 叠幽 凹1 - 1p c b 数控钻床外观 图1 - 2 钻床进给传动链 1 2国内外概况及发展趋势 12 1数控机床伺服系统的组成及技术要求 数控机床一般由信息载体、计算机数控装置、伺服系统、检测反馈装置和机 床本体五部分组成。如图1 - 5 所示，其中伺服系统是其重要的组成部分。 丽订寸蔼f 一丁i 可市1 一t 一4 1 一 检反馈装置l 一 圈1 - 3 数控机床的组成 在自动控制系统中把输出量能以一定准确度跟随输入量的变化而变化的系统 称为伺服系统也称为随动系统。数控机床伺服进给系统由伺服驱动电路、伺服驱 动装置( 伺服电机) 、位置检测装置、机械传动机构以及执行部件等组成。它的作用 是接收数控系统发出的进给位移或速度指令信号，由伺服驱动电路做一定的转换 和放大后经伺服驱动装置和机械传动机构，驱动机床的工作台、主轴头等执行部 件进行工作进给和快速进给。数控机床的伺服进给系统与一般机床的进给系统相 比有本质上的差异，它能根据指令信号自动精确地控制执行部件运动的位移、方 向和速度，以及数个执行部件按一定的规律运动以合成一定的运动轨迹。伺服进 给系统的高移动速度、跟踪精度、定位精度等动态和静态性能在很大程度上决定 了数控机床的加工精度、加工表面质量和生产效率“1 。数控机床的伺服进给系统分 为伺服控制部分和伺服执行部分如图l _ 4 所示。 图1 4 数控机床伺服进给原理图 伺服执行机构是数控系统的机械结构实体，其结构设计，整机装配等方面对 整个数控系统的性能至关重要。随着现代仿真技术的发展及各种新材料的出现， 使得机械结构的稳定性和刚度等力学性能大幅度提高，可以满足数控机床高速高 稳定性的需要。而机械执行机构的精度在很大程度上取决于主传动系统的精度，善 为了减少运动部件的摩擦阻力，防止低速运动时的爬行现象，采用滚珠丝杠螺母， 静压传动螺母等传动部件；为了消除间隙，采用传动件的预紧技术；为了提高主 传动系统的精度保持性，设计上采用无磨损和少磨损机构，如静压导轨、镶钢导 轨等等1 1 i 。 伺服控制部分是数控系统实现自动控制的关键。在保证机械传动机构具有高 的精度的前提下，通过选择比较先进的切实可行的控制算法，可以提高整个数控 系统的性能“。 数控机床的伺服进给系统接受数控系统发出的进给指令信号，由伺服驱动控 制单元作一定的转化和功放后，经伺服驱动装置( 直流，交流伺服电机，直线电机) 和机械传动机构，驱动数控设备的执行部件进行迸给运动，并保证动作的快速性 和准确性。在数控伺服进给系统工作中，由于存在传动机构参数( 如摩擦力，负载 质量等) 的变化，控制参数( 位置环增益，速度环增益) 的变化以及外界因素的干扰， 使得整个伺服进给控制系统的动态性能会受很大的影响。 为了实现复杂加工，提高加工精度，稳定产品质量，要求伺服系统能适应快 速定位、切削、实现高速度高精度连续加工。作为数控系统进给用的伺服驱动系 统应该满足以下要求u “： ( 1 ) 进给调速范围要宽：调速范围是指机械装置要求伺服电动机能提供的最高 转速和最低转速之比。 ( 2 ) 快速响应性要好：快速响应性是衡量伺服系统动态品质的标志之一，即要 求跟踪指令信号的响应速度要快。一方面要求过渡过程时间短；另一方面，为了 满足超调要求，要求过渡过程前沿要陡，即上升率要大。 ( 3 ) 精度高：伺服系统的精度是指输出量能够跟随输入量的精确程度。 ( 4 ) 伺服电动机转子惯量要小，以提高伺服系统的加减速性能。整个电动机的 重量和体积应尽可能小，为机械设计与安全创造方便条件。 ( 5 ) 伺服电机安全可靠：希望电动机本身无须维护或维护方便。伺服电动机应 该无火花运行。 ( 6 ) 与c n c 系统的接口应当简便：整个伺服驱动装置必须能够方便地接收来自 上一级控制的指令，同时也必须将自身的运行状态送到上一级控制器。这样在伺 服电动机和驱动器、计算机数字控制系统之间，就存在着信号形式与强弱的显著 差别，必须通过接口联系起来，这就要求接口是简单易行的。 数控系统是典型的机电一体化产品，一方面进给装置的负载在相当宽的范围 内具有恒转矩的性质，而且负载惯量变化很小；另一方面，由于数控系统是用于 精密机械加工的，所以对系统的动态和静态系统控制精度提出了很高的要求，要 求伺服驱动系统具有非常宽阔的调速范围和定位精度。 1 2 2数控机床伺服系统的分类 伺服进给系统按有无位置检测和反馈可分为以下三种： ( 1 ) 开环进给伺服系统。如图1 - 5 所示开环伺服系统主要是由驱动电路，执行 元件和被控对象三大部分组成。由于执行元件常为步进电机，所以称其为步进式 伺服系统。驱动电路的主要作用是将指令脉冲转化为执行元件所需的信号。 伺服驱 伺服 动系统 驱动装置 匕冬 、：- ” 阿习 1 电机l 乜“篓 机械传动及执行部件 图i - 5 开环伺服进给系统 4 ( 2 ) 闭环和半闭环系统。如图1 - 6 、1 - 7 所示系统所用的伺服驱动装置主要是直 流或交流伺服电机。与开环进给系统相比最主要的区别是：安装在执行部件或其 他传动元件上的位置检测装置将执行部件的实际位移量转化成电脉冲或模拟电压 后，反馈到输入端，并与输入位置指令信号进行比较，将两者的差值进行放大或 变换，控制伺服驱动装置驱动执行部件以给定的速度向着消除偏差的方向运动， 直到指令位置与反馈的实际位置的差等于零为止。在系统中位移指令与位置检测 反馈信号比较得到位置误差经过变换放大作为速度指令的环节称为位置环，即位 置控制回路。还有速度控制回路与电流控制回路，即速度环与电流环。执行部件 或伺服电机的速度一般用脉冲( 位移脉冲) 频率一电压变换器件变换成速度反馈信 号，与速度指令信号进行比较。电流环的反馈电流检测元件通过实测伺服电机的 电流来获得。从控制的角度来讲伺服进给系统是一个三环控制系统。 如图1 8 所示，直接测量执行部件的实际位移来进行反馈的进给系统称为闭环 系统。如果检测元件安装在中间传动轴上，间接测量执行部件的位置的系统如图 1 - 9 所示称为半闭环系统。闭环系统可以消除机械传动机构的全部误差，而半闭环 系统只能补偿系统环路内部元件的误差，因此其精度要低。目前在高速高精度数 控系统中均采用的是闭环系统。 c n f - 。一 c n 图1 6 闭环伺服进给系统 图1 7 半闭环伺服进给系统 5 闭环和半闭环进给伺服系统因为采用了位置检测装置，所以在结构上较开环 进给系统复杂，成本也较高。另外，由于机械传动机构部分或全部包含在系统之 内，机械传动部分的固有频率、阻尼、间隙等将成为系统不稳定的因素。因此半 闭环系统和闭环系统的设计和调试都比开环系统困难。 1 2 3数控机床交流伺服系统的研究现状及趋势 伺服电机是数控机床伺服进给系统的执行元件，其性能在很大程度上影响进 给伺服系统的性能。直流伺服电机在数控机床进给伺服系统中曾得到广泛的应用， 它具有良好的调速和转矩特性，但它的结构复杂、制造成本高、体积大，而且电 机的电刷容易磨损，换向器会产生火花，使直流伺服电机的容量和使用场合受到 限制。交流伺服电机没有电刷和换向器等结构上的缺点，并且随着永磁材料性能 的不断提高和完美，功率驱动电源如关断晶闸管( g t o ) 、场效应晶体管( m o s f e t ) 、 绝缘门晶体管( i g b t ) 、m o s 控制晶闸管( m c t ) 不断开发出来、电力电子器件的模 块化智能化的不断发展、逆变技术的进步以及高性能数字信号处理器的不断问世 使得交流伺服驱动的调速特性更能适应数控机床进给伺服系统的要求。现代数控 机床都倾向于采用交流伺服驱动，交流伺服驱动大有取代直流伺服驱动之势u 。 交流电动机是一个多变量、强耦合、非线性的被控对象。因此，它的控制较 直流电动机要复杂和困难的多。1 9 7 1 年由德国西门子公司的e b l a s c h k e 提出的矢 量控制理论第一次使交流电机控制理论获得了质的飞跃。他从理论上证明了异步 电动机传动系统的动态特性可以得到极大的改善，解决了以往只依赖电机稳态模 型带来的问题。矢量控制采用了矢量变换的方法，通过把交流电机的磁通与转矩 的控制解耦，使交流电机的控制类似与直流电机，从而也大大提高了控制性能。 在数控机床的交流伺服系统中按采用的驱动电机的类型来分，主要有两类： 永磁同步电机和感应式异步电机。永磁同步电机由于具有高转矩重量比、低转动 惯量、易散热、效率高、可靠性高、易于维护保养等优点成为了数控机床伺服系 统的主流1 引5 1 。 作为数控机床的重要功能部件，伺服系统的特性一直是影响系统加工性能的 重要指标。围绕伺服系统动态特性与静态特性的提高，近年来发展了多种伺服驱 动技术。数控机床中交流伺服系统广泛采用三环f 电流环、速度环、位置环) p i d 调 节控制技术，并己产品化，系列化。但传统的永磁同步电动机的三环p i d 调节控 制方式在数控机床应用中仍存在一些问题u 饥： ( 1 ) 调节器参数设定繁琐且误差较大。传统的设定繁琐而且误差较大。传统的 手工设计伺服系统调节器参数，需要对系统进行简化，从而导致误差加大，缺乏 6 相关的理论指导。 ( 2 ) 伺服系统的解藕控制需要精确的系统数学模型，对系统参数( 如电动机的力 矩系数、机械系统结构、系统频率) 的依赖性较强，当参数改变时，系统的性能可 能会变得较差，严重时可能导致系统失稳。 ( 3 ) 传统的研究对象只考虑到电动机的控制，很少考虑机械与电气参数匹配问 题和机床在加工时动态切削力对伺服系统动态性能的影响。而在全闭环数控机床 进给伺服系统中，机械进给系统和物理切削过程包含在位置环之内，他们和电气 伺服控制系统之间不是完全割裂的子系统，而是通过反馈回路耦合成一个新的综 合机电系统。 为了提高数控机床的整体性能，国内外研究人员在控制策略及实现方式上进 行了大量的研究n 1 9 , 2 0 , 2 1 , 2 2 。主要包括： ( 1 ) 对影响数控机床的非线性因素进行补偿研究，此方面的研究成果很丰富， 某些已在实践中达到了初步的应用。 ( 2 ) 对数控机床伺服系统采用新的控制方式，如神经网络，专家系统、自适应 控制、鲁棒控制以及模糊控制等新型控制算法引用到伺服系统的控制中以提高伺 服系统的性能。模糊控制最大的优点是不依赖被控对象的精确数学模型，并且能 够克服非线性因素的影响，对调节器参数变换不敏感，具有较强的鲁棒性。克服 了矢量控制严重依赖系统模型的不足，因此，成为了数控机床位置伺服系统中研 究的热点。 ( 3 ) 采用复合控制策略提高伺服系统的性能。事实上每一种控制策略都有其优 缺点。因此各种策略相互渗透和复合可以更好的满足数控机床伺服系统的要求。 复合控制策略主要有两种形式：一是在传统p i d 控制策略的基础上采用新型的控 制策略。二是采用两种以上的新型控制策略。复合控制是今后的一个趋势。 ( 4 ) 系统在线辨识。自适应算法以及神经网络控制方法被用来进行参数的在线 辨识，并根据辨识的结果相应的调整调节器的参数，这在提高系统性能方面取得 了一定的效果。 ( 5 ) 采用全数字化的伺服系统。以前的伺服系统大都采用单片机控制，往往达 不到很好的效果。现在的高性能伺服系统均采用数字信号处理器( d s p ) 为控制器。 目前电机控制领域比较成熟的d s p 已经问世，比如t i 公司的t m s 3 2 0 l f 2 x x 、2 8 x x 系列等，为伺服系统数字化提供了有效的解决方案。 1 2 4p c b 钻床伺服进给系统国内外研究现状 现代电子制造业要求电子工艺装备必须高速度、高精度，只有这样才能适应 7 瞬息万变的电子信息产业。随着超高速切削机理、超硬耐磨寿命刀具材料，大功 率高速电主轴、高加减速度直线电机驱动进给部件以及高性能控制系统( 含监控系 统) 和防护装置等一系列技术领域中关键的解决，开发和应用新一代高速数控机床 已经成为了可能。 速度和精度是p c b 数控钻床的两个重要指标，他直接关系到加工效率和产品 质量。但他们之间又相互制约，相互影响。数控机床向高速高精度方向发展，要 求数控系统高速运算处理，驱动系统和执行机构高速度的做出反应，在极短的行 程内达到高速度和高速下保持高定位精度和加工精度。 由于高速高精度p c b 数控钻床进给伺服系统直接决定机床的加工精度，速度， 孔壁质量和生产效率。国外p c b 钻床伺服进给系统通过机械结构上的优化，控制 系统的改进及非线性因素的补偿等措施等，来保证了其高速高精度的性能。目前 p c b 钻床的高端设备主要集中在日本( h i t a c h i ) ，德 雪( s i e b & m e y e r , s c h m o l l ，l e n z ， k l i n g e l n b e r g ) ，及意大禾l j ( p l u r i t e c ) 等发达国家。钻床在高速进给条件下仍能保证加 工精度并不断改善。其钻床x ，y 轴移动速度达到5 0 - 9 0 m m i n ，最小加工孔径可达 o o l m m ，定位精度达到0 0 0 5 m m ，重复定位精度达到了0 0 0 2 m m 。实际钻孔精 度0 0 2 m m ，钻孔速度每分钟平均达到5 0 0 个，而国内同等条件下只能达到2 5 0 个。 虽然近年来国内p c b 设备生产厂商的迅速崛起，但由于对p c b 精细化和高精 度的要求越来越高，而国内厂家的p c b 钻床大多加工精度有限、动态响应特性和 可靠性低，国内的p c b 生产大厂倾向于进口国外钻床。代表国内水平的广东科技 自动化集团、天马电子和成都星维科等p c b 钻床企业，其具有自主知识产权的p c b 钻床伺服驱动器及其电机几乎采用的均为国外产品，同时机床的整体性能与国外 产品相比还有很大较差。另外，前期台商带入大陆的( 东台精机，台湾龙泽，恩惠 科技，大量，建德，富竹，深圳大族等) p c b 钻床性能则介于大陆和国外之间【4 j 6 7 】。 1 3 本文的主要研究内容 本文在广东省教育部产学研结合项目的资助下，以某数控设备有限公司的 p c b 钻床为应用对象，根据国外国内的实际应用状况，本着应用的目的综合整个 p c b 数控钻床系统的相关性能要求伺服进给系统在阶跃信号下的上升时间小于6 毫秒；稳定时间小于1 2 毫秒：超调量小于1 。为此本文对p c b 数控钻床永磁同 步电机伺服进给系统做了如下主要研究工作： 1 结合永磁同步电机( p m s m ) 的运行原理建立了其数学表达式，依据矢量控 制控制理论建立了在电压控制方式下p m s m 的控制系统模型。 2 以p m s m 的模型为基础，建立了数控机床交流伺服系统电流环、速度环、 位置环三环结构模型；并对三个环节的p i d 调节器参数进行了设计，同时在 m a t l a b s i m u l i n k 下针对p c b 钻床系统参数分别进行了参数整定及仿真。 3 建立p c b 数控钻床机械进给装置数学模型及全闭环高阶系统模型，由于机 械系统的引入容易引起共振，所以设计了机械共振点陷波滤波器。借助 m a t l a b s i m u l i n k 对系统做了相关的设计及仿真分析。 4 针对全闭环模式下机械结构变参数问题、外部干扰等造成的系统性能下降 及可能的不稳定性问题，提出并设计了位置环模糊自适应p i 控制器。并用 m a t l a b s i m u l i n k 对上述问题进行了仿真研究。 5 对伺服系统实现过程中的几个关键问题进行了介绍与分析，给出了相关的 算法原理，并基于电机控制专用d s p t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 对伺服系统的实现做了初步的 开发方案。 9 2 永磁同步电机数学模型及矢量控制原理 2 1p m s m 的结构和种类 2 1 1p m s m 的结构 p m s m 本体由定子和转子两大部分组成。永磁同步电机的定子是指电机在运 行时的不动部分，与普通同步电机在定子结构上是一致的，由三相绕组及铁芯构 成，主要由硅钢片、三相对称分布在它们槽中的绕组、固定铁芯用的机壳以及端 盖等部分组成，且电枢绕组通常为星型连接。其定子和异步电动机的定子结构基 本相同。空间上三相对称绕组通入三相对称电流就会产生一个空间旋转磁场，旋 转磁场的同步转速与定子电流频率f 存在如下关系： n o = 6 0 f p , ( 为极对数)( 2 1 ) 永磁同步电机的转子是指电动机在运行过程中可以转动的部分，在转子结构 上，普通同步电机通常由磁极铁芯、励磁绕组、永磁磁钢及磁厄等部分组成。磁 极铁芯由钢板冲片叠压而成，磁极上套有励磁绕组，励磁绕组两出线端接到两个 集电环上，再通过与集电环相接触的静止电刷向外引出。励磁绕组由直流励磁电 源供电，其正确连接应是相邻磁极的磁性呈n 与s 交替排列。p m s m 使用磁体取 代了普通同步电机的励磁绕组，从而省去了励磁线圈、滑环和电刷，真正实现了 无刷化。转子的主要作用是在电动机的气隙内产生足够的磁感应强度，并同通电 后的定子绕组相互作用产生转矩来驱动自身的运转。故此，永磁同步电机的励磁 磁场可以视为恒定，另外与普通同步电机相比，p m s m 还必须装有转子位置检测 器，用来检测转子磁极位置，从而对电枢电流进行控制，达到控制p m s m 的目的。 为了保证系统精度及运行质量，多采用旋转变压器或光电码盘作为p m s m 的转子 位置检测器与p m s m 转子同轴连接。 2 1 2p m s m 的种类 永磁同步电机的转子采用永久磁铁励磁，根据磁性材料的不同类型可有各种 不同的结构设计。目前一般采用稀土永磁材料做磁钢( 一般都具有很高的剩余磁通 密度和很大的矫顽力) ，稀土永磁材料的一个特点是它的磁导率与空气磁导率相仿， 对于径向结构的电动机交轴和直轴磁路磁阻都很大，可以很大程度上的减少电枢 反应。由于转子磁钢的几何形状不同，使得转子磁场在空间的分布可分为正弦波 和梯形波( 方波) 两种。因此，在转子旋转时，在定子上产生的反电动势波形也有两 种：一种是正弦波形；另一种为梯形波形( 方波) ，这样就造成了两种同步电动机在 原理、模型以及控制方法上有所不同，为了区别由他们组成的永磁同步电机，一 般把产生正弦波磁场的永磁同步电动机称为正弦型永磁同步电动机( p m s m ) ：而由 梯形波( 方波) 产生磁场的永磁同步电机称为梯形波( 方波) 型永磁同步电机，由于其 原理与控制方式上基本与直流电机系统类似，所以又称为无刷直流电动机 ( b l d c m ) 。对于无刷直流电动机，由于其转矩脉动大，铁芯附加损耗较大，所以， 只适用与一般精度等级要求的场合n 5 2 3 1 。 永磁同步电机按永磁体在转子上安装位置的不同，分为三类：表面式、内嵌 式和内埋式，如图2 1 所示。 ( a ) 凸装式( b ) 嵌入式 ( c ) 内埋式 图2 - 1 永磁同步电机转子的三种结构 凸装式和嵌入式可以减小转子直径，从而降低转动惯量。如将永磁体直接粘 在转轴上还可以获得低电感，这有利于电动机动态性能的改善。内埋式转子是将 永磁体装在转子铁芯内部，其磁路气隙比较小，适用于弱磁控制，为了便于控制， 表面式和嵌入式结构转子直径较小，从而降低了转动惯量，一般的永磁同步电机 多采用这种形式的转子机构。内埋式转子是将永磁体装与转子铁芯的内部。他的 机械强度高，磁路气隙小，适用于弱磁控制瞳钔。本文讨论凸装式永磁同步电动机。 2 2p m s m 的机械角度和电角度 电机控制涉及两个角度：机械角度和电角度。机械角度是转子实际位置对应 的角度，转子旋转一周为3 6 0 。机械角度。电角度是转子旋转磁场的角度，它与磁 极对数成正比。机械角度与电角度的关系可用下面的公式表示： 幺= 吃以 ( 2 2 ) 式中包为电角度；吃为机械角度；以为转子磁极对数。由于角度和速度成导 数关系，所以上述关系可以写成电角度速度与机械角速度的关系： 1 2 丞磁回垄电扭数堂搓型题篡量控制厘理 c o = ( 2 3 ) 式中吃为电角度；为机械角度。上述对永磁同步电机结构特点的说明，以 及机械角度与电角度的关系，为下面介绍永磁同步电机的数学模型提供了结构方 面的基础。 2 3永磁同步电机的数学模型 2 3 1永磁同步电机的基本方程 这里以三项凸装式永磁同步电机为研究对象，建立同步电机的数学模型。 p m s m 的基本方程包括电动机的运动方程、物理方程和转矩方程，这些方程是其 数学模型的基础。控制对象的数学模型应该能准确反映被控系统的静态和动态特 性，数学模型的准确程度是系统静、动态性能优劣的关键。 p m s m 定子由三相绕组及铁芯组成，并且电枢绕组常以y 型连接；在转子结 构上p m s m 用永磁体取代电励磁，从而省去了励磁线圈、滑刷和电刷。与普通电 动机相比，p m s m 还必须装有转子永磁体位置检测器，用来检测磁极位置。并依 此对电枢电流进行控制达到对p m s m 伺服控制的目的。p m s m 的气隙长度在物理 上是均匀的，但由于永磁材料的磁阻和铁磁材料的磁阻不一样，气隙磁阻的分布 并不均匀。 在不影响控制性能的前提下对同步电机的物理模型做如下假设朋j 钔： ( 1 ) 定子三相绕组在空间对称分布，气隙磁势和磁密在空间做正弦分布； ( 2 ) 忽略磁路饱和及铁芯损耗； ( 3 ) 忽略温度对电机参数的影响； ( 4 ) 采用电动机惯例设定正方向。 这样可以获得如图2 2 所示的等效结构坐标图：图中o a 、o b 、o c 为三相定子 绕组的轴线，取转子的轴线与定子a 相绕组的电气角为p 。 图2 - 2p m s m 等效结构坐标图 1 3 毫 = 言吾曼 差 + 丢 蒌 t 2 q ( 2 ) 永磁同步电机的磁链方 蒌 = 耋季蚤三篆莲爹 豳+ l 三茹c o 二s 0 = ) j 1 纷c 躺， 式中：i 卜绕组等效电路，厶一等效d 轴电感，三。一等效q 轴电感，以一电 机磁极对数，q 一转子机械角速度，纷一转子磁场的等效磁链，互一折算到电机 轴上的总负载转矩。刊轴电流，1 轴电流，卜折算到电机轴上的总转动惯 量。 2 3 2坐标变换 为了简化和求解同步电机的数学方程，必须运用坐标变换理论对同步电机自 然坐标轴系的基本方程进行线性变换，实现电机数学模型的解藕。磁场定向同步 电机常用的各坐标系如图2 3 所示。其中a b c 轴系为同步电机自然坐标系，筇0 轴系为同步电机静止坐标系，d q 0 为同步电机几何轴线坐标系。 b c 图2 3 同步电机各坐标系关 筇0 轴系放在电机定子上，口轴与a 相轴线重合，采用两相等效正交绕组来 代替三相绕组，实现了三相定子绕组之间互感的解藕，简化了数学模型。从矢量 合成的角度推到一个旋转矢量从一个三坐标系( a b c ) 变换到两坐标系( 筇) 称为3 2 变换即c l a r k 变换，反之则称为2 3 变换或反c l a r k 变换。图2 3 中描绘了两 相静止坐标系筇0 和两相旋转坐标系由0 之间的关系，同一矢量在他们之间也可以 1 4 相互转化，从a p o 到d q o 的转化称为2 s 2 r 变换即p r a k 变换，反之则称为2 r 2 s 或反p r a k 。 根据坐标变换保持任一矢量不变的原理，同时为了保持变换前后电机气隙磁 势不变和功率不变，得到如下正交变换矩阵。 a b c 轴系变换到筇0 轴系的正交变换矩阵为： c a b c - a a e o = l 一!一! o 鱼一鱼 2 2 1l1 正压点 a p o 轴系变换到a b c 轴系的正交变换矩阵为： 一 匝c u p o - b c2 、j 10 1 芦 4 2 1 4 3 1 22 2 1 3 1 22 2 a b c 轴系变换到由0 轴系的正交矩阵为： 厅 c a b c - d , i 。2 亏 c o s 0 s i n 0 l 压 由0 轴系变换到a b c 轴系的正交矩阵为： o 一郇c c o s c 0 s c o s 0s i n 0 ，、2 z 一 3 。 2 万 + 3 s 1 n s 1 n 1 压 2 万 一 3 2 万 6 ，+ 3 1 压 1 压 1 压 ( 2 6 ) ( 2 7 ) ( 2 8 ) ( 2 9 ) 这些坐标变换理论为永磁同步电机的解藕控制提供了依据，为后面的永磁同 、，_、j幼一3幼一3 + 十 9 p ，一，一 s l 出 、，、，幼一3幼一3 一 一 = 2 弘 弘 。一压 ，l，l 傩 m o s 步电机伺服系统的实现奠定了基础。 2 3 3p m s m 矢量控制原理 对于p m s m 通常有两种控制方式。一种是针对电流控制的滞环控制，另一种 是采用电压控制。滞环控制响应速度快，主要用在模拟控制中；电压控制的理论 基础是空间矢量p w m 控制，这种方式提高了逆变器的电压输出能力，保持恒定的 开关频率，适合数字控制。在本文的交流伺服系统设计中，永磁同步伺服电动机 采用电压控制方式。 1 9 7 1 年德国西门子公司的b l a s c h k e 等就发表的论文感应电机磁场定向的控 制原理和美国e c c u s t m a n 和a a c l a r k 申请的专利感应电机定子电压的坐标 变换控制，经过各国学者和工程师的研究、实践和不断的完善，形成了现在普遍 应用的交流电机磁场定向控制系统，也称为矢量控制系统。磁场定向控制系统的 特点是通过坐标变换( 3 2 变换、同步旋转变换) ，把交流电机在按磁链定向的同步 旋转坐标上等效成直流电机，从而模仿直流电机进行控制，使交流电机调速达到 并超过传统的直流电机调速性能。这一原理的基本出发点是考虑到交流电机是一 个多变量、强耦合、非线性的时变系统，很难直接的通过外加信号准确的控制电 磁转矩。仿效直流电机电流与磁通正交解藕可分别控制的转矩特性，将旋转电机 磁通作为空间矢量的参考轴，利用旋转坐标变换方法把定子电流变换为转矩电流 分量和激磁电流分量，互相正交，可以分别独立控